JP6220822B2 - Metal lithium electrode plate - Google Patents
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Description
本発明は電極板に関し、特にゲート層を有する金属リチウム電極板に関する。 The present invention relates to an electrode plate, and more particularly to a metal lithium electrode plate having a gate layer.
既存の非リチウムシステムであるバッテリーシステムと比べると、リチウムを活性材料とするバッテリーシステムは、高い仕事電圧(3.6V)、大きいエネルギー密度(120Wh/kg)、軽い重量、長い寿命及び優れる環保性などの利点がある。
リチウムを活性材料とするバッテリーシステムにおいて、一番早く発展されるリチウムバッテリーシステムは、充電式の金属リチウムバッテリーであり、これは非常に高いエネルギー密度を有するが、金属リチウムの化性がつよいので、電解質と反応しやすく、金属リチウムバッテリーが不安定になって安全性の問題がある。安全性の考えに基づいて、充電式のリチウムバッテリーの発展は、充電式金属リチウムバッテリーから、「充電式リチウム合金バッテリー」と「充電式リチウムイオンバッテリー」という二つのシステムに向かって転換する。
液体充電式リチウムイオンバッテリーには、有機溶剤を含有する電解液が使われるので、揮発、燃焼の危険が発生しやすく、かつ、バッテリーをパッケージする時に、完璧なシール状態にならないので、電解液が漏れる可能性があり、安全性への虞も相当にある。近年、おもに上記リチウムバッテリーの安全性について検討し、改めて新たな充電式リチウムポリマーバッテリーが研究されている。これは、元の有機溶剤の代わりにポリマー電解質をバッテリー内の電解液とすることによって、リチウムバッテリーが使用される安全性を大幅に向上させる。
Compared with existing non-lithium system battery systems, lithium-based battery systems have higher work voltage (3.6V), higher energy density (120Wh / kg), lighter weight, longer lifespan, and better environmental protection There are advantages such as.
Among battery systems that use lithium as an active material, the lithium battery system that is developed the fastest is a rechargeable metal lithium battery, which has a very high energy density, but is highly metal lithium, It reacts easily with the electrolyte, and the metal lithium battery becomes unstable, which causes a safety problem. Based on safety considerations, the development of rechargeable lithium batteries will shift from rechargeable metal lithium batteries to two systems: rechargeable lithium alloy batteries and rechargeable lithium ion batteries.
Liquid rechargeable lithium-ion batteries use an electrolyte containing an organic solvent, so they are prone to volatilization and combustion, and do not become a perfect seal when the battery is packaged. There is a possibility of leakage, and there is a considerable risk of safety. In recent years, the safety of the lithium battery has been mainly studied, and a new rechargeable lithium polymer battery has been researched again. This greatly improves the safety with which a lithium battery is used by using a polymer electrolyte as the electrolyte in the battery instead of the original organic solvent.
しかし、近年、多量な携帯式スマート電子製品が出現し、毎世代の製品に対して新しさと変化を求めるために、製品の性能が向上し続けている。このため、バッテリーシステムは、従来からの安全性に対する高度な要求以外に、電子製品の長い操作時間を確保するため、バッテリーシステムの使用寿命が再びバッテリーシステム研究の重要課題になり、多くのバッテリーシステムの研究方向は、安全性から、バッテリーシステムの長寿命化に転向してきている。
リチウムバッテリーシステムの開発経緯において、かつて安全性の面から、金属リチウムバッテリーシステムの研究は中断されたが、金属リチウムが直接金属リチウムバッテリーシステムの活性材料に使用されるので、他のリチウムイオンバッテリーシステム或いはリチウムポリマーバッテリーシステムと比べて、金属リチウムバッテリーシステムが提供するエネルギー密度がこれらのリチウム化合物のバッテリーシステムより大きいことは事実である。
一方、金属リチウムは非常に活発な金属であり、適当な保管環境或いは良好な操作環境ではないと、金属リチウム自身に激しい酸化還元反応が発生しやすいことも事実である。したがって、実用的な使用において、金属リチウムバッテリーの安全性の問題を有効に克服し、プロセス或いは保管時の難しさを低減できれば、現代の携帯式スマート電子製品の要求に適合できる。
However, in recent years, a large number of portable smart electronic products have emerged, and the performance of products continues to improve in order to demand newness and change for each generation of products. For this reason, in addition to the high demands for safety in the past, the battery system has a long operating time for electronic products. Therefore, the service life of the battery system has become an important issue for battery system research. The direction of research is shifting from the safety to extending the life of battery systems.
In the history of lithium battery system development, research on metal lithium battery systems was once suspended for safety reasons, but metal lithium is used directly as the active material of metal lithium battery systems, so other lithium ion battery systems Or, it is true that the energy density provided by metallic lithium battery systems is greater than these lithium compound battery systems compared to lithium polymer battery systems.
On the other hand, metallic lithium is a very active metal, and it is also true that violent oxidation-reduction reactions are likely to occur in metallic lithium itself unless it is in an appropriate storage environment or good operating environment. Therefore, in practical use, if the safety problem of metallic lithium battery can be effectively overcome and the difficulty in process or storage can be reduced, it can meet the demands of modern portable smart electronic products.
本発明は、上述した従来技術の欠点について、金属リチウムを材料とする電極板を提供することによって、有効に克服する。 The present invention effectively overcomes the disadvantages of the prior art described above by providing an electrode plate made of metallic lithium.
本発明の目的は、集電層、ゲート層中の少なくともの一つで金属リチウム層を封止することによって、金属リチウムを直接に一般的なリチウム化合物からなる電極板構造のように製作できる金属リチウム電極板を提供することである。したがって、既存のプロセス技術を使用するだけで、エネルギー密度が一般的なリチウム化合物より高いバッテリーシステムを製作できる。 An object of the present invention is to provide a metal that can be produced directly like an electrode plate structure made of a general lithium compound by sealing a metal lithium layer with at least one of a current collecting layer and a gate layer. A lithium electrode plate is provided. Therefore, a battery system having an energy density higher than that of a general lithium compound can be manufactured only by using an existing process technology.
本発明の他の目的は、ゲート層が媒体の作用でリチウムイオン及び/或いは金属リチウム層と合金化反応を起こすことによって、ゲート層の原構造を少しずつ微粒状リチウム合金物質の形に変化させてその体積全体を膨張させる(スタッキングがゆるいから多量のホールが発生する)一方、リチウムイオンが金属リチウム層と電気化学反応を起こす経路になる金属リチウム電極板を提供することである。 Another object of the present invention is to gradually change the original structure of the gate layer into the form of a fine lithium alloy material by causing the gate layer to alloy with the lithium ions and / or the metal lithium layer by the action of the medium. It is intended to provide a metal lithium electrode plate that expands the entire volume (a large number of holes are generated due to loose stacking), while a lithium ion has an electrochemical reaction with the metal lithium layer.
本発明の更に他の目的は、一般的な正極電極板を直接に金属リチウム電極板に実装して金属リチウムを有する給電ユニットが形成される金属リチウム電極板を提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a metal lithium electrode plate in which a general positive electrode plate is directly mounted on a metal lithium electrode plate to form a power supply unit having metal lithium.
上記目的を達成するために、本発明は、金属リチウム層と、複数のゲート層と、集電層とを含み、集電層は複数のホールがあり、それぞれのホールは少なくとも一つの開口を有し、前記複数のゲート層は前記複数のホールに対応して設置され、金属リチウム層は前記複数のゲート層に対応して設置される金属リチウム電極板を提供する。
本発明が開示する金属リチウム電極板は、ゲート層が媒体の作用でリチウムイオン及び/或いは金属リチウム層と合金化反応を起こすことによって、ゲート層の原構造を少しずつ微粒状リチウム合金物質の形に変化させてその体積全体を膨張させる(スタッキングがゆるいから多量のホールが発生)一方、リチウムイオンが金属リチウム層と電気化学反応を起こす経路になる。なお、本発明が開示する金属リチウム電極板は、直接一般的な正極電極板に実装されることによって、エネルギー密度の高い給電ユニットが形成される。
In order to achieve the above object, the present invention includes a metallic lithium layer, a plurality of gate layers, and a current collecting layer. The current collecting layer has a plurality of holes, and each hole has at least one opening. The plurality of gate layers are provided corresponding to the plurality of holes, and the metal lithium layer is provided corresponding to the plurality of gate layers.
In the metal lithium electrode plate disclosed in the present invention, the gate layer causes an alloying reaction with lithium ions and / or the metal lithium layer by the action of the medium, so that the original structure of the gate layer is gradually formed into a form of a particulate lithium alloy material. And the entire volume is expanded (a large amount of holes are generated because the stacking is loose), while the lithium ion becomes a pathway for causing an electrochemical reaction with the metal lithium layer. The metal lithium electrode plate disclosed in the present invention is directly mounted on a general positive electrode plate, thereby forming a power supply unit having a high energy density.
以下、本発明の目的、技術内容、特徴及び達成できる効果を更に理解するため、具体的な実施例によって詳しく説明する。 Hereinafter, in order to further understand the object, technical contents, features, and effects that can be achieved, the present invention will be described in detail with reference to specific examples.
本発明の趣旨は、金属リチウムを有する電極板が直接通常環境で保管、操作され、一般的な正極電極板とエネルギー密度がより高くかつ安全性も兼備する給電ユニットに形成される金属リチウム電極板を提供することである。
この金属リチウム電極板は、金属リチウム層と、複数のゲート層と、集電層とを含み、前記集電層は複数のホールがあり、それぞれのホールは少なくとも一つの開口を有し、前記複数のゲート層は前記複数のホールに対応して設置され、前記金属リチウム層は前記複数のゲート層に対応して設置され、金属リチウム層はゲート層と隣接して設置しても、離れて設置してもよいが、隣接して設置する場合には、金属リチウム層とゲート層は接触しても接触しなくてもよい。媒体を添加することによって、ゲート層の合金化反応を進行させて金属リチウム層の酸化還元反応を起こす。更に、一般的な電極板と互いに組み合わせることが容易になってエネルギー密度の高い給電ユニットが形成される。
The gist of the present invention is that a lithium metal electrode plate formed in a power supply unit in which a lithium metal electrode plate is directly stored and operated in a normal environment and has a higher energy density and safety than a general positive electrode plate Is to provide.
The metal lithium electrode plate includes a metal lithium layer, a plurality of gate layers, and a current collecting layer, wherein the current collecting layer has a plurality of holes, each hole having at least one opening, The gate layer is installed in correspondence with the plurality of holes, the metal lithium layer is installed in correspondence with the plurality of gate layers, and the metal lithium layer is installed adjacent to the gate layer or separated from the gate layer. However, in the case where they are installed adjacent to each other, the metal lithium layer and the gate layer may or may not contact each other. By adding the medium, the alloying reaction of the gate layer proceeds to cause the redox reaction of the metal lithium layer. Furthermore, it becomes easy to combine with a general electrode plate to form a power supply unit having a high energy density.
以下、本発明の趣旨について、更に詳しく説明する。以下は幾つの異なる実施形態を挙げて説明するが、これらの形態は主要な実施例であるだけであり、本発明に係る特許の請求範囲を限定するものではない。 Hereinafter, the gist of the present invention will be described in more detail. The following is a description of several different embodiments, which are merely examples, and do not limit the scope of the claims of the present invention.
まず、同時に図1Aと図2Aを参照する。図1Aは本発明に係る金属リチウム電極板の実施形態の構造模式図であり、図2Aは図1Aにおけるゲート層が合金化された後の形態である。 First, simultaneously refer to FIG. 1A and FIG. 2A. FIG. 1A is a structural schematic diagram of an embodiment of a metal lithium electrode plate according to the present invention, and FIG. 2A is a form after the gate layer in FIG. 1A is alloyed.
図面に、本発明の金属リチウム電極板10Aの局所的な断面を示す。最底部は金属リチウム層12であり、複数のホールHを有する集電層14は前記最底部の上方にあり、金属リチウム層12から離れる一端部にて、ゲート層142はホールHの開口Hを覆い、かつ局所的に集電層14の表面を覆う。この実施形態において、ゲート層142と金属リチウム層12は実際に接触していない。
In the drawing, a local cross section of the metallic
構造的には、上記金属リチウム電極板10Aが給電ユニット(図示しない)に適用される際、金属リチウム電極板10Aは負極電極板の役割を担い、給電ユニット内部の電気化学システムにおいて電気化学反応が行われる前、ゲート層142とリチウムイオン及び/或いは金属リチウムとが互いに作用しないので、ゲート層142の構造は安定的かつ良好である。したがって、集電層14及び/或いはゲート層142が設置されている場合に、金属リチウム層12は良好に保護されて直接に媒体と接触せず、製造プロセスにおいて、より高温、高圧力の条件下で金属リチウム層12を操作できる。
しかし、給電ユニット内の電気化学反応が進行し始めると、つまり、給電ユニットの正、負極の間に電圧差がある場合に(例えば、充電を行う状態である)、媒体から提供されたリチウムイオンと正極電極板から遊離するリチウムイオンは、正極電極板から金属リチウム電極板10Aへマイグレーションし、金属リチウム電極板10Aに達した後に、ゲート層142におけるリチウムイオン及び/或いは金属リチウムと反応できる材料と、先に合金化反応を起こす。これによって、ゲート層142の初始格子構造が少しずつ崩れて格子構造のゆるい合金物質になり、ゲート層142とリチウムイオンからなる合金物質が所定の量になる際に、合金物質は媒体(電解液)に伴って開口OからホールH内に充填される。最終的には、合金物質中の隙間によって媒体をホールHに導き、リチウムイオンのイオンチャンネルを形成すると共に、金属リチウム層12と接触して金属リチウム電極板10Aにおける集電層14とゲート層142との電位が共に金属リチウム層12の電位に近づく。その構造は図2Aに示される。このうち、前記媒体は、例えば、液体電解質、固体電解質、コロイド電解質、液体イオン(liquidion)或いは上記材料の組み合わせであってもよい。
Structurally, when the metal
However, when the electrochemical reaction in the power supply unit begins to proceed, that is, when there is a voltage difference between the positive and negative electrodes of the power supply unit (for example, charging is performed), lithium ions provided from the medium Lithium ions released from the positive electrode plate migrate from the positive electrode plate to the metal
更に詳しく言うと、給電ユニットの正極と負極との間に電圧が発生しない場合は、電力で駆動されていないため、給電ユニット内の化学反応が進行せず、したがって、ゲート層142は媒体(リチウムイオン含有)と反応が発生しない。
給電ユニットが充電を行う時、つまり第1回の充電を例として給電ユニットが化成(formation)を行う時に、ゲート層142は金属リチウム層12と接触していないので、ゲート層142におけるリチウムイオン及び/或いは金属リチウムと反応できる成分は、媒体から提供されたリチウムイオンと合金化反応を行うだけである。要するに、ゲート層142が媒体と接触する界面に、形成合金物質が発生し始め、かつ反応時間を長くするに連れて、ゲート層142におけるリチウムイオン及び/或いは金属リチウムと反応できるほとんどすべての成分は、リチウムイオンと反応する。このとき、ゲート層142はほとんど完全に崩れて合金物質に形成され、合金物質は、量の増加に連れて、だんだん集電層14のホールH内に充填される。これによって、媒体は合金物質を通して金属リチウム層12の表面に達すると共に、イオンと電子との交換作用が発生する。換言すると、給電ユニットが化成終了或いは何回かの充電後に、最初に金属リチウム層12と媒体を区別するためのゲート層142が合金化反応によって崩れた後に、媒体は崩れたゲート層142(つまり合金物質であり)によってホールHに充填されて金属リチウム層12と接触する。これによって、金属リチウム層12は給電ユニット内の電気化学反応を生じさせる。このことから、ゲート層142は、電気化学反応が発生した後は、合金化反応によって、初始構造から微粒状の合金物質構造に潰れ、かつ最初の構造に戻れないことが分かる。
機能性から見ると、ゲート層142は、給電ユニットにおいて電気化学反応が発生する前、主にその金属構造又はメタロイド構造の特性を使って封止構造の役割を担うことによって、いかなる物質とも作用が発生しないように金属リチウム層12を完全に封止する。しかし、電気化学反応が発生したら、ゲート層142はだんだん崩れて合金物質になる。換言すると、ゲート層142の金属構造は最終に消えてしまい、合金の状態で給電ユニット内に存在する。
More specifically, when a voltage is not generated between the positive electrode and the negative electrode of the power supply unit, the chemical reaction in the power supply unit does not proceed because the power supply unit is not driven by electric power. Reaction does not occur with ions).
When the power supply unit performs charging, that is, when the power supply unit performs formation using the first charge as an example, the
From the viewpoint of functionality, the
なお、前記金属リチウム層12の他の主な作用は、ゲート層142の電位を金属リチウム層12の電位に近似させ、つまり0ボルトに対して接近する状態を維持することである。要するに、ゲート層142を金属リチウムが形成される0ボルトに維持させ、これによって、媒体中のリチウムイオンがゲート層142と合金化反応を起こす時に発生する合金物質の構造は更に繊細且つ均一になる。
The other main function of the
なお、上記実施形態以外、ゲート層142は、開口Oを覆うと共に、更に図1Bに示されるように、ホールHの内部に充填される。図2Bにおいて、図1Bにおけるゲート層142が合金化された後の構造模式図を示し、図1Cにおいて、ゲート層142が完全にホールHに充填される場合を示し、図2Cにおいて、図1Cにおけるゲート層142が合金化された後の構造模式図を示す。
これらの形態においてゲート層142が金属リチウム層12と接触しない例で説明するが、実際には、ゲート層142が金属リチウム層12と接触する構造形態であってもよい。なお、ここでスルーホールの形で集電層14のホールHを示すが、前記ホールHは図1Dに示されるように止り穴であってもよい。
図2Dにおいて、図1Dにおけるゲート層142が合金化された後の構造模式図を示す。また、これらの実施形態における金属リチウム層12は完全に集電層14の一側の表面を覆うが、局所的に集電層14の表面を覆う形であってもよい。例えば、集電層14の開口Oがスルーホールの開口になる時に、金属リチウム層12はゲート層142に対応して、開口Oを覆って開口Oの他の端まで充填され、或いは開口Oの他の端まで充填されるだけである。つまり、金属リチウム層12は局所的或いは完全に集電層14を覆ってもよい。
In addition to the above embodiment, the
Although an example in which the
FIG. 2D shows a structural schematic diagram after the
図1Dと図2Dに示すように、集電層14に進入する前にリチウムイオンを先にその外表面に沈殿させないため、かつ集電層14が露出した外表面に過充放電の状態でメッキ反応が進行してリチウム突出物が発生することを避けるために、集電層14は金属リチウム層12と隣接していない一側の外表面に、いくつかの絶縁エリアAが設けられる。この絶縁エリアAは導電性を持たず、その構造形態は本形態で示される電気的絶縁層であってもよく、或いは表面処理された電気的絶縁表面であってもよい。例えば、集電層14が露出した外表面に表面処理を行ってその導電性質を不活性化する。
As shown in FIG. 1D and FIG. 2D, the lithium ion is not precipitated on the outer surface before entering the
前記集電層の材料は、銅、ニッケル、鉄、亜鉛、金、銀、チタン或いはリチウムと合金化反応を発生しない材料から選ばれる。
ゲート層142は一種或いは多種の金属を含んでもよく、金属材料及び/又はメタロイド材料を含み、且つゲート層142の様々な材料において、リチウムとリチウム合金に形成できる材料以外、リチウム合金に形成できない材料を含んでもよい。この二種類の材料は非合金態或いは合金態の何れの形態で存在してもよい。例えば、非合金態はパターン化されたスパッタリング、蒸着、メッキによって形成されるが、ゲート層142の組成において、リチウム合金に形成できる材料の含有量は0.1重量%以上であり、残部はリチウムと合金化反応を発生できる材料であってもよい。このうち、上記リチウム合金に形成できる材料として、アルミニウム、スズ、シリコン、アルミニウム合金、スズ合金、シリコン合金、他の単一の金属或いは合金材料が挙げられ、リチウム合金に形成できない材料は、単独或いは多種類の材料からなってもよく、例えば、銅、ニッケル、鉄、チタン、亜鉛、銀、金或いはこれらの組み合わせが挙げられる。
リチウム合金に形成できる材料は、アルミニウム、スズ、シリコン、アルミニウム合金、スズ合金、シリコン合金、他の単一の金属或いは合金材料、又は多種の金属或いは合金材料であってもよく、リチウム合金に形成できない材料は単一でも複数の材料の組み合わせでもよく、例えば、銅、ニッケル、鉄、チタン、亜鉛、銀、金或いはその組み合わせである。例えば、このゲート層142がジアロイである時に、リチウムイオン/リチウム金属と合金に形成できるスズ金属と、リチウムと合金化反応を発生しないニッケル金属からなるニッケル−スズ合金であってもよく、このうち、スズの含有量は0.1%重量以上である。
The material of the current collecting layer is selected from materials that do not cause an alloying reaction with copper, nickel, iron, zinc, gold, silver, titanium, or lithium.
The
The material that can be formed into the lithium alloy may be aluminum, tin, silicon, aluminum alloy, tin alloy, silicon alloy, other single metal or alloy material, or various metals or alloy materials, formed into lithium alloy The material that cannot be used may be a single material or a combination of a plurality of materials, such as copper, nickel, iron, titanium, zinc, silver, gold, or a combination thereof. For example, when the
図1A〜図1D及び図2A〜図2Dによれば金属リチウム層とゲート層は互いに離れて設置されていることが分かる。以下の図3A〜図3D、図4A〜図4D、図5A〜図5D及び図6A〜図6Dには、金属リチウム層とゲート層が隣接して設置される形態が開示されている。 1A to 1D and FIGS. 2A to 2D show that the lithium metal layer and the gate layer are disposed apart from each other. In the following FIGS. 3A to 3D, FIGS. 4A to 4D, FIGS. 5A to 5D, and FIGS. 6A to 6D, forms in which the metal lithium layer and the gate layer are installed adjacent to each other are disclosed.
図3A〜図3Dを参照する。図3A〜図3Dには、金属リチウム層とゲート層が隣接して設置される形態が開示される。
かかる金属リチウム極板10Bは、金属リチウム層12、複数のゲート層142及び複数のホールHを有する集電層14を含み、図3Aに示すように、金属リチウム層12の一つの端部に隣接しているところで、ゲート層142がホールHの開口Oを覆う。図3Bには、ゲート層142が開口O上を覆うと共にホールH内に充填する形態が開示されるが、この開口Oは金属リチウム層12と隣接している。
更に図3Cを参照する。ゲート層142はホールH内に充填されるが、集電層14の表面を覆わず、かつゲート層142は金属リチウム層12と隣接している。図3A〜図3Cにおける金属リチウム層12は局部的に或は完全に電層14を覆う。また、イオン伝導層16もこの形態に適用され、図3Dは一種のイオン伝導層16を含む構造模式図である。図3A〜図3Dに対応する図4A〜図4Dのそれぞれは、ゲート層142が合金化されることによって合金物質が形成される形態である。このうち、金属リチウム層12、集電層14、ゲート層142、イオン伝導層16と絶縁エリア(図示しない)に関する構造特徴と材料特性は、既に前の段落に記載したので、ここでは省略する。
Reference is made to FIGS. 3A to 3D disclose a mode in which a metal lithium layer and a gate layer are installed adjacent to each other.
The metal
Still referring to FIG. The
以上の形態はゲート層が集電層のホール及びその開口にある多様な構造対応関係及び金属リチウム層とゲート層が互いに異なる対応位置関係によって、異なる金属リチウム層とゲート層の位置関係について開示し、多様な異なる位置関係のゲート層の形態がある。
以下の図5A〜図5Cにて、ゲート層が完全にホールを充填し、かつ金属リチウム層と隣接している態様を例として、金属リチウム層と集電層のホール及びその開口の構造との対応関係を説明する。もちろん、これらの形態は他の形態のゲート層と組み合わせてもよく、他の異なる設置関係がある金属リチウム層及びゲート層と組み合わせてもよく、イオン伝導層と絶縁エリアとを合併して実施してもよい。
The above embodiments disclose various structural correspondence relationships in which the gate layer is in the hole of the current collecting layer and the opening thereof, and the positional relationship between the different metal lithium layers and the gate layer according to the corresponding positional relationships in which the metal lithium layer and the gate layer are different from each other. There are various forms of gate layers with different positional relationships.
In the following FIG. 5A to FIG. 5C, as an example in which the gate layer completely fills the hole and is adjacent to the metal lithium layer, the structure of the hole of the metal lithium layer and the collector layer and the structure of the opening The correspondence relationship will be described. Of course, these forms may be combined with other forms of gate layers, or may be combined with other metal lithium layers and gate layers having different installation relationships, and the ion conductive layer and insulating area are merged. May be.
図5Aにおいて、金属リチウム層12、複数のゲート層142及び複数のホールHを有する集電層14を含む金属リチウム極板10Cを開示する。このうち、ゲート層142はホールH内に充填され、金属リチウム層12はホールHの開口Oを覆ってゲート層142と隣接して設置され、図5Bにおける金属リチウム層12は、開口Oを覆うと共に、ホールH内に充填されてホールH内に充填されるゲート層142に隣接している。
図5Cにおいて、金属リチウム層12はホールH内に充填してホールH内のゲート層142と隣接する。このうち、上記の形態は何れも金属リチウム層12及びゲート層142が接触していない形態で説明したが、金属リチウム層12とゲート層142が隣接している場合、互いに接触してもかまわない。
図5Dは一種のイオン伝導層16を含む構造模式図である。図6A〜図6Dは、図5A〜図5Dにおけるゲート層142が合金化された後の構造を対応的に示す模式図である。
5A, a metal
In FIG. 5C, the
FIG. 5D is a structural schematic diagram including a kind of ion
イオン伝導層について更に詳しく説明する。図7Aと図8Aを参照する。このうち、図7Aは本発明に係る金属リチウム電極板の他の実施形態の構造模式図であり、図8Aは図7Aにおけるゲート層が合金化された後の形態である。 The ion conductive layer will be described in more detail. Please refer to FIG. 7A and FIG. 8A. 7A is a structural schematic diagram of another embodiment of the metal lithium electrode plate according to the present invention, and FIG. 8A is a form after the gate layer in FIG. 7A is alloyed.
かかる形態における金属リチウム電極板10Aは、金属リチウム層12と、集電層14と、ゲート層142とを含むほか、更にイオン伝導層16を含む。イオン伝導層16は、金属リチウム層12と集電層14、ゲート層142との間に設けられ、実際の使用において、イオン伝導層16は、金属リチウム層12、集電層14及びゲート層142と同時に接触してもよく、或いは実質的に金属リチウム層12と集電層14と接触するだけであってもよい。また、イオン伝導層の構造型態について、多孔層状構造で、ネット状構造で、柱状構造で、或いは上記構造の組み合わせであってもよい。
図7Aに開示される形態は、金属リチウム層12及び集電層14と実質的に接触する例を説明し、かかる形態の金属リチウム電極板10Aの構造は、下から上の順で、金属リチウム層12と、イオン伝導層16と、開口O端部に位置するゲート層142と、開口Oを有する集電層14を含む。このうち、金属リチウム層12、集電層14及びゲート層142の特性は上記段落に説明されるので、ここではイオン伝導層16の特徴を詳しく説明するのみである。
The metal lithium electrode plate 10 </ b> A in this form includes the
The form disclosed in FIG. 7A describes an example in which the
まず、イオン伝導層16の主な機能は、イオンが集電層14、ゲート層142及び金属リチウム層12の間に伝導されることを補助することである。その存在は集電層14と金属リチウム層12の間の導電性を低下させず、したがって、金属リチウム層12と集電層14、ゲート層142の間に設置されるイオン伝導層16の最も好ましい形態は、同時にイオン伝導性と導電性を持つ。このうち、イオン伝導性はイオン伝導性16の材料自身、隙間と電解質材料(電解質材料は液体電解質、コロイド電解質、固体電解質或いは液体電解質などである)或いはこれらの組み合わせから形成される。しかし、イオン伝導層の導電性は必ずしもイオン伝導層16自身から得るのではなく、ゲート層142が合金化された後に体積が増え、膨張した合金化物質を導電材料として合金化物質がイオン伝導層16の隙間を通して集電層14と金属リチウム層12を導通させることによって得られる。
化学特性について、イオン伝導層16は直接金属リチウム層12と接触するので、何れの状態であっても、金属リチウム層12と合金化反応が発生しない。また、図7Aで示されるイオン伝導層16と、開口Oの他の端部にあるゲート層142との間に空乏エリア162が存在する。かかる空乏エリア162は、給電ユニットにおいて電気化学反応が進行する前に、物質が充填されていない隙間であり、更に電解質のみを含む隙間であってもよい(このうち、電解質材料は液体電解質、コロイド電解質、固体電解質或いは液体イオンなどであってもよい)。しかし、以上の通り、給電ユニット内の電気化学反応が進行し始めると、ゲート層142とリチウムイオンからなる合金物質は、だんだん開口O内の空乏エリア162に充填され、更にイオン伝導層16内まで埋める。つまり、電気化学反応が進行して合金物質が空乏エリア162とイオン伝導層16に充填された後に、合金物質と電解質によってイオンと電子を金属リチウム層12と、集電層14、ゲート層142との間に導通させることができ、その構造は図8Aで示される。
このことから、イオン伝導層16の導電性は、それ自身の材料特性から実現される以外、ゲート層142が合金化された後に合金物質がイオン伝導層16に充填されることによってイオン伝導層16の導電性を実現できる。このうち、かかる形態のイオン伝導層16は、一般的には、セラミック絶縁材料、ポリマー材料、液体電解質、コロイド電解質、固体電解質或いは液体イオン以外、更に導電材料或いは上記材料とイオン伝導層16自身の隙間の様々な組み合わせを含んでもよい。このうち、導電材料として、金属材料、合金材料、導電炭素材料(例えば、カーボンブラック、硬質炭素、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン等)が挙げられる。上記多種の材料とイオン伝導層16自身の隙間の組み合わせは、原導電性材料に対してメッキ、蒸着、スパッタリングを行って金属或いは合金フィルムが形成されることも含み、前記セラミック絶縁材料は酸化金属、硫化金属、窒化金属或いは酸性化反応した金属材料(例えば、リン酸化金属)などである。
一般的には、イオン伝導層には多量の隙間があるから、イオン伝導の経路になると共に、これらの経路は体積が膨張した合金化されたゲート層142をイオン伝導層を通過させて集電層14と金属リチウム層12を接続することによって、電子を伝導する効果に達する。
First, the main function of the ion
Regarding the chemical characteristics, since the ion
From this, the conductivity of the ion
In general, since there are a large number of gaps in the ion conductive layer, the ion conductive layers become paths of ion conduction, and these paths pass through the ion conductive layer by collecting the alloyed
上記形態の他、更に図7Bに示されるように、この金属リチウム電極板10Aにおける一部のイオン伝導層16は集電層14の開口Oの他の端部に充填され、ゲート層142に対応して位置すると共に金属リチウム層12とゲート層142のいずれかと実質的に接触する。給電ユニット内において電気化学反応が始まった後に、ゲート層142とリチウムイオンからなる合金物質は少しずつイオン伝導層16に充填され、これによって、図8Bに示されるように、ゲート層142からなる合金物質が金属リチウム層12と接触して導電性を提供する。
In addition to the above configuration, as shown in FIG. 7B, a part of the ion
図7Cに開示される実施形態は、金属リチウム電極板10Aにおけるイオン伝導層16の構造が柱状であり、かかる形態のイオン伝導層16は局所的に集電層14と金属リチウム層12を覆い、意図的に集電層14の開口O(開口エリア)を避け、非開口エリアの集電層14と金属リチウム層12との間にのみ形成される。この形態のイオン伝導層16の材料は、一般的な形態と比較すると特別であり、通常は導電材料だけであり、例えば、金属材料、合金材料或いはいろんな導電炭素材料、或いは導電材料、ポリマー材料及びイオン伝導層16自身の隙間の組み合わせである。ここで、原導体材料に対してメッキ、蒸着、スパッタリングを行って金属或いは合金フィルムを形成することによって導電性を強める。
柱状のイオン伝導層16には多量な隙間があるので、イオンを伝導するチャンネルとして提供でき、かつ、イオン伝導層16の両端は直接金属リチウム層12と集電層14と接触するから、電子を伝導する効果が達成できる。もちろん、一旦給電ユニット内に電気化学反応が始まったら、図8Cのように、ゲート層142とリチウムイオンからなる合金物質は更に少しずつ柱状のイオン伝導層16の隙間に充填されてゲート層142からなる合金物質を金属リチウム層12と接触させる。
In the embodiment disclosed in FIG. 7C, the structure of the ion
Since the columnar ion
このうち、イオン伝導層16の導電性は、イオン伝導層16自身の導電材料、例えば、金属材料、合金材料、導電炭素材料(例えば、カーボンブラック、硬質炭素、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン等)等の材料から提供でき、或いはゲート層142が合金化された後に形成される合金物質から提供でき、或いは更に集電層14と金属リチウム層12との間に発生されるリチウム突出物から提供でき、或いは上記全ての構造から提供できる。
イオン伝導層16がリチウム突出物の形態になる原因は、電解質に浸潤される環境で、金属リチウム電極板10Aの電位が0ボルトに近い時、集電層14の電位は金属リチウム層12の電位に近いので、リチウムイオンの界面に沈積作用が発生しやすく、つまり、電気化学反応の過程において、集電層14がイオン伝導層16と隣接する表面に、リチウム金属が容易に析出されてリチウム突出物が形成される。
イオン伝導層16は多量な隙間を有するから、リチウム突出物が集電層14から金属リチウム層12に生長する時、リチウム突出物がイオン伝導層の隙間を介して金属リチウム層12と接触すると、集電層14と金属リチウム層12との間に、集電層14と金属リチウム層12を導電させるブランチ状結晶(リチウム突出物)構造成分のイオン伝導層16構造(その構造形態は7Cの構造と類似している)が形成される。
公知の給電ユニットと比べると、一般的な給電ユニット内にリチウム金属が析出されてリチウム突出物(デンドライト状結晶)が形成されると、分離層が突き破られて内部ショートの問題が発生するので、給電ユニットの機能を阻害することがある一方、本発明が開示するリチウム突出物は、集電層14が金属リチウム層12と隣接する表面に発生するので、発生されたリチウム突出物がバッテリー内部構造を破壊しないため、内部ショートの問題を有さず、更にリチウム突出物の形成によって集電層14と金属リチウム層12を電気的接続の表面積を増加することでバッテリー内部の抵抗値が低下される。
Among these, the conductivity of the ion
The reason why the ion
Since the ion
Compared with known power supply units, when lithium metal is deposited in a general power supply unit and lithium protrusions (dendritic crystals) are formed, the separation layer breaks through, causing an internal short circuit problem. While the lithium protrusion disclosed in the present invention may interfere with the function of the power supply unit, the
図9Aは本発明に係るバッテリーコアの実施形態の一つの構造模式図である。このうち、上記図7Aに開示される金属リチウム電極板(10A)を例として説明する。 FIG. 9A is a schematic structural diagram of one embodiment of a battery core according to the present invention. Among these, the metal lithium electrode plate (10A) disclosed in FIG. 7A will be described as an example.
本実施形態におけるバッテリーコアBCは、二つの第1の電極板ユニット20と、第2の電極板ユニット10Aとを含む。このうち、第1の電極板ユニット20のそれぞれは、活性材料層22と、第1の集電層24と、分離層26とを含み、第1の集電層24は活性材料層22の一側に設けられ、分離層26は活性材料層22の他の側に設けられる。つまり、活性材料層22は第1の集電層24と分離層26との間に挟まれ、第2の電極板ユニット10Aは、二つの第1の電極板ユニット20の間に挟まれる。
また、第2の電極板ユニット10Aは、ホールHを有する第2の集電層14と、ホールHの端部にあるゲート層142と、イオン伝導層16と、金属リチウム層12と、イオン伝導層16と、ホールHを有する第2の集電層14と、ホールHの端部にあるゲート層142とを含み、第2の電極板ユニット10Aの上下両側にある第2の集電層14は、第1の電極板ユニット20の分離層26と互いに隣接して配置される。
The battery core BC in the present embodiment includes two first
In addition, the second
図9Bは本発明に係る金属リチウム電極板がパッケージされた形態の構造模式図であり、上記第2の電極板ユニット10Aは通常の環境に露出できるため、さらに第2の電極板ユニット10Aの周縁にパッケージユニット30を設置する。
本実施形態の例では、パッケージユニット30は、水、気体をバリアできる材質から構成され、かつその型態は枠状或いは他の形状であってもよい。例えば、パッケージユニット30は単層のシリカゲル枠であっても、多層のシリカゲル枠であってもよい。ここでは三層のシリカゲル枠を例として説明するが、これは一つの例であって本発明の範囲を制限するものではない。
パッケージユニット30は、第2の電極板ユニット10Aの必要構造ではなく、例えば、第2の電極板ユニット10Aが独立なパッケージユニットを含まない場合に、第1の電極板ユニット20に実装した後に、パッケージを行ってもよい。
FIG. 9B is a structural schematic diagram of a form in which the metal lithium electrode plate according to the present invention is packaged. Since the second
In the example of the present embodiment, the
The
詳しく言うと、第1の電極板ユニット20の分離層26に媒体が吸着された後(例えば、電解液(図示しない))、適当なプロセス(例えば、熱圧接)で、第1の電極板ユニット20と第2の電極板ユニット10Aを互いに粘着させる。これにより、バッテリーコアBCの組み合わせが完成するので、バッテリーコアBCに充電を行う時に、媒体は第1の電極板ユニット20から第2の電極板ユニット10Aに向けて流れると共に、多量なリチウムイオンを第2の電極板ユニット10Aに運ぶ。
第2の電極板ユニット10Aにおける第2の集電層14の開口Oから進入し、ゲート層142と接触してゲート層142に合金化反応を進行させることによって、媒体における多量のリチウムイオンがゲート層142と合金化反応し、リチウムを有する合金物が形成される。これによって、第2の電極板ユニット10Aにおける第2の集電層14、ゲート層142及びイオン伝導層16の電位は金属リチウム層12の電位に接近し、つまり、第2の電極板ユニット10A全体の電位は相対的に0ボルトに近づく。
More specifically, after the medium is adsorbed to the
A large amount of lithium ions in the medium is gated by entering through the opening O of the second
更に、媒体におけるリチウムイオンが何回かの充放電を繰り返した後、つまり何回かの合金化反応と脱合金化反応をした後に、消耗は避けられず、例えば、リチウムイオンの一部が還元できないゲート層−リチウム合金として媒体に遊離し、或いは、リチウムイオンの一部がリチウム突出物として消耗される。このとき、ホールH内に充填された合金物質を金属リチウム層12の橋として、金属リチウム層12のリチウムイオンをバッテリーコア内部の化学システムに導いて戻させることによって、十分なリチウムイオンをバッテリーコアBCに提供し、バッテリーコア全体の寿命を延長させることができる。
Furthermore, after lithium ions in the medium are repeatedly charged and discharged several times, that is, after several times of alloying reaction and dealloying reaction, consumption is inevitable. For example, a part of lithium ions is reduced. The incapable gate layer is released to the medium as a lithium alloy, or some of the lithium ions are consumed as lithium protrusions. At this time, the alloy material filled in the hole H is used as a bridge of the
上記は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の実施範囲を制限するものではない。本発明に係る特許請求の範囲に関する前記特徴及び趣旨に均等な変更或いは修飾は、本発明の特許請求の範囲に含まれるべきである。 The above are only preferred embodiments of the present invention and do not limit the scope of the present invention. Any changes or modifications equivalent to the features and spirit of the claims according to the present invention should be included in the claims of the present invention.
10A 金属リチウム電極板/第2の電極板ユニット
10B 金属リチウム電極板
10C 金属リチウム電極板
12 金属リチウム層
14 集電層/第2の集電層
142 ゲート層
16 イオン伝導層
162 空乏エリア
20 第1の電極板ユニット
22 活性材料層
24 第1の集電層
26 分離層
30 パッケージユニット
A 絶縁エリア
BC バッテリーコア
H ホール
O 開口
10A Metal Lithium Electrode Plate / Second
Claims (22)
前記集電層は複数のホールを有し、それぞれの前記ホールは少なくとも一つの開口を有し、
前記金属リチウム層は前記集電層の下、あるいは前記ホールの中に設置され、前記金属リチウム層の一部は前記開口によって露出し、
前記複数のゲート層は前記開口を覆って、前記集電層によって覆われていない前記金属リチウム層の前記露出側を遮蔽し、
前記少なくとも一つの絶縁エリアは集電層の前記金属リチウム層と隣接しない一側の外表面に位置し、
前記ゲート層がリチウムイオン或いは金属リチウムと合金化できる少なくとも一つの材料を含み、
前記ゲート層が合金化反応後に微粒状の合金物質に変化でき、電気化学反応を起こす経路になることを特徴とする、
金属リチウム電極板。 And a current collector layer, and a metallic lithium layer, a plurality of gate layers, viewed contains at least one insulating area, stored in a normal environment prior to application to the battery system, a lithium metal electrode plate is operable,
The current collecting layer has a plurality of holes, and each of the holes has at least one opening;
The metallic lithium layer is disposed under the current collecting layer or in the hole, and a part of the metallic lithium layer is exposed through the opening,
The plurality of gate layers cover the opening and shield the exposed side of the metallic lithium layer not covered by the current collecting layer;
The at least one insulating area is located on an outer surface of one side of the current collecting layer not adjacent to the metal lithium layer;
The gate layer comprises at least one material capable of being alloyed with lithium ions or metallic lithium;
The gate layer can change into a fine alloy material after the alloying reaction, and becomes a path for causing an electrochemical reaction ,
Metal lithium electrode plate.
前記集電層は複数のホールを有し、それぞれの前記ホールは少なくとも一つの開口を有し、
前記金属リチウム層は前記集電層の下、あるいは前記ホールの中に設置され、前記金属リチウム層の一部は前記開口によって露出し、
前記複数のゲート層は前記開口を覆って、前記集電層によって覆われていない前記金属リチウム層の前記露出側を遮蔽し、
前記ゲート層がリチウムイオン或いは金属リチウムと合金化できる少なくとも一つの材料を含み、
前記開口はスルーホール及び/または止め穴であり、
前記金属リチウム層は更に前記開口を覆い、且つ前記ホールに充填され、
前記ゲート層が合金化反応後に微粒状の合金物質に変化できることを特徴とする、
金属リチウム電極板。 A metal lithium electrode plate including a current collecting layer, a metal lithium layer, and a plurality of gate layers,
The current collecting layer has a plurality of holes, and each of the holes has at least one opening;
The metallic lithium layer is disposed under the current collecting layer or in the hole, and a part of the metallic lithium layer is exposed through the opening,
The plurality of gate layers cover the opening and shield the exposed side of the metallic lithium layer not covered by the current collecting layer;
The gate layer comprises at least one material capable of being alloyed with lithium ions or metallic lithium;
The opening is a through hole and / or a stop hole,
The metal lithium layer further covers the opening and fills the hole;
The gate layer may change to a fine alloy material after alloying reaction,
Metal lithium electrode plate.
前記集電層は複数のホールを有し、それぞれの前記ホールは少なくとも一つの開口を有し、
前記金属リチウム層は前記集電層の下、あるいは前記ホールの中に設置され、前記金属リチウム層の一部は前記開口によって露出し、
前記複数のゲート層は前記開口を覆って、前記集電層によって覆われていない前記金属リチウム層の前記露出側を遮蔽し、
前記ゲート層がリチウムイオン或いは金属リチウムと合金化できる少なくとも一つの材料を含み、
前記開口はスルーホール及び/または止め穴であり、
前記金属リチウム層は更に前記ホールに充填されることを特徴とする、金属リチウム電極板。 A metal lithium electrode plate including a current collecting layer, a metal lithium layer, and a plurality of gate layers,
The current collecting layer has a plurality of holes, and each of the holes has at least one opening;
The metallic lithium layer is disposed under the current collecting layer or in the hole, and a part of the metallic lithium layer is exposed through the opening,
The plurality of gate layers cover the opening and shield the exposed side of the metallic lithium layer not covered by the current collecting layer;
The gate layer comprises at least one material capable of being alloyed with lithium ions or metallic lithium;
The opening is a through hole and / or a stop hole,
The metal lithium layer is characterized in that it is further filled in the hole, metallic lithium electrode plates.
前記集電層は複数のホールを有し、それぞれの前記ホールは少なくとも一つの開口を有し、
前記金属リチウム層は前記集電層の下、あるいは前記ホールの中に設置され、前記金属リチウム層の一部は前記開口によって露出し、
前記複数のゲート層は前記開口を覆って、前記集電層によって覆われていない前記金属リチウム層の前記露出側を遮蔽し、
前記ゲート層がリチウムイオン或いは金属リチウムと合金化できる少なくとも一つの材料を含み、
前記金属リチウム層は前記複数のゲート層と離れて設置され、
前記ゲート層が合金化反応後に微粒状の合金物質に変化できることを特徴とする、
金属リチウム電極板。 A metal lithium electrode plate including a current collecting layer, a metal lithium layer, and a plurality of gate layers,
The current collecting layer has a plurality of holes, and each of the holes has at least one opening;
The metallic lithium layer is disposed under the current collecting layer or in the hole, and a part of the metallic lithium layer is exposed through the opening,
The plurality of gate layers cover the opening and shield the exposed side of the metallic lithium layer not covered by the current collecting layer;
The gate layer comprises at least one material capable of being alloyed with lithium ions or metallic lithium;
The metal lithium layer is disposed apart from the plurality of gate layers ;
The gate layer may change to a fine alloy material after alloying reaction,
Metallic lithium electrode plate.
前記集電層は複数のホールを有し、それぞれの前記ホールは少なくとも一つの開口を有し、
前記金属リチウム層は前記集電層の下、あるいは前記ホールの中に設置され、前記金属リチウム層の一部は前記開口によって露出し、
前記複数のゲート層は前記開口を覆って、前記集電層によって覆われていない前記金属リチウム層の前記露出側を遮蔽し、
前記イオン伝導層が前記金属リチウム層と隣接して設置され、
前記イオン伝導層は前記金属リチウム層と合金化反応を発生せず、
前記ゲート層がリチウムイオン或いは金属リチウムと合金化できる少なくとも一つの材料を含み、
前記ゲート層が合金化反応後に微粒状の合金物質に変化できることを特徴とする、
金属リチウム電極板。 A metal lithium electrode plate including a current collecting layer, a metal lithium layer, a plurality of gate layers, and an ion conductive layer ,
The current collecting layer has a plurality of holes, and each of the holes has at least one opening;
The metallic lithium layer is disposed under the current collecting layer or in the hole, and a part of the metallic lithium layer is exposed through the opening,
The plurality of gate layers cover the opening and shield the exposed side of the metallic lithium layer not covered by the current collecting layer;
The ion conductive layer is disposed adjacent to the metal lithium layer;
The ion conductive layer does not generate an alloying reaction with the metal lithium layer,
The gate layer comprises at least one material capable of being alloyed with lithium ions or metallic lithium;
The gate layer may change to a fine alloy material after alloying reaction,
Metallic lithium electrode plate.
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